材料科学基础习题（含答案）

材料科学基础考前重点复习题

1. Mn 的同素异构体有⼀为⽴⽅结构，其晶格常数α为0.632nm ，密度ρ为26.7g/cm 3，原⼦半径r 等于0.122nm ，问Mn 晶胞中有⼏个原⼦，其致密度为多少？答案解析：习题册 P9 2-22.

2. 如图1所⽰，设有两个α相晶粒与⼀个β相晶粒相交于⼀公共晶棱，并形成三叉晶界，已知β相所张的两⾯⾓为80℃，界⾯能ααγ为0.60Jm -2, 试求α相与β相的界⾯能αβγ。

图1

答案解析：习题册 P17 3-42.

3. 有两种激活能分别为1Q ＝53.7kJ/mol 和2Q ＝201kJ/mol 的扩散反应，观察在温度从25℃升⾼到800℃时对这两种扩散的影响，并对结果进⾏评述。答案解析：习题册 P21 4-8.

4. 论述强化⾦属材料的⽅法、特点和机理。

答：(1)结晶强化。通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，提⾼⾦属材料的性能。包括细化晶粒，提⾼⾦属材料纯度。

(2)形变强化。⾦属材料在塑性变形后位错运动的阻⼒增加，冷加⼯塑性变形提⾼其强度。(3)固溶强化。通过合⾦化(加⼊合⾦元素)组成固溶体，使⾦属材料强化。

(4)相变强化。合⾦化的⾦属材料，通过热处理等⼿段发⽣固态相变，获得需要的组织结构，使⾦属材料强化。

(5)晶界强化。晶界部位⾃由能较⾼，存在着⼤量缺陷和空⽳。低温时，晶界阻碍位错运动，晶界强度⾼于晶粒本⾝；⾼温时，沿晶界扩散速度⽐晶内扩散速度快，晶界强度显著降低。强化晶界可强化⾦属材料。5. 什么是回复，请简述⾦属材料冷变形后回复的机制。试举例说明回复的作⽤。

答：（1）回复是冷变形⾦属在低温加热时，其显微组织⽆可见变化，但物理性能、⼒学性能却部分恢复到冷变形以前的过程。

（2）回复机制：低温回复主要与点缺陷迁移有关，冷变形时产⽣⼤量的点缺陷，空⽳与间隙原⼦。温度较⾼时，中温回复会发⽣位错运动和重新分布。位错滑移，异号位错相遇⽽抵消，位错缠结重新排列，位错密度降低。⾼温回复，⼑刃位错可获得⾜够的能量产⽣攀移，垂直排列形成亚晶界，多边化亚晶粒，位错弹性畸变能降低。

6. 请简述扩散的微观机制有哪些？什么是短路扩散？试举例说明短路扩散在材料制备中的应⽤⼀例。答：（1）主要有间隙扩散、空位扩散。

（2）晶体中原⼦沿表⾯、晶界、亚晶界、位错等结构缺陷的扩散速度⽐原⼦在晶内扩散的速度快，因此称这种扩散为短路扩散。

7. 简述⼀次再结晶与⼆次再结晶的驱动⼒，并说明如何区分冷、热加⼯？动态再结晶与静态再结晶后的组织结构的主要区别是什么？试举例说明动态再结晶在实际⽣产中的⼀个实例。答案解析：习题册P31 5-44.

8. 请简述扩散的微观机制有哪些？影响扩散的因素⼜有哪些？

答：（1）置换机制：包括空位机制和直接换位与环形换位机制，其中空位机制是主要机制，直接换位与环形换位机制需要的激活能很⾼，只有在⾼温时才能出现。

（2）间隙机制：包括间隙机制和填隙机制，其中间隙机制是主要机制。

（3）影响扩散的主要因素有：温度（温度越⾼，扩散速度越快）；晶体结构与类型（包括致密度、固溶度、各向异性等）；晶体缺陷；化学成分（包括浓度、第三组元等）。

9. 试分析冷塑性变形对合⾦组织结构、⼒学性能、物理化学性能、体系能量的影响。

答：（1）组织结构：形成纤维组织；晶粒沿变形⽅向被拉长；形成位错胞；晶粒转动形成变形织构。（2）⼒学性能：位错密度增⼤，位错相互缠绕，运动阻⼒增⼤，造成加⼯硬化。（3）物理化学性能：其变化复杂，主要对导电，导热，化学活性，化学电位等有影响。

（4）体系能量：因冷变形产⽣⼤量缺陷引起点阵畸变，使畸变能增⼤；因晶粒间变形不均匀和⼯件各部分变形不均匀引起的微观内应⼒和宏观内应⼒。这两部分统称为存储能，其中前者为主要。冷变形后引起的组织性能变化为合⾦随后的回复、再结晶作了组织和能量上的准备。

10. 请根据所附⼆元共晶相图分析解答下列问题：

1）说明室温下I、II的相和组织是什么？并计算出相和组织的相对含量；2）如果希望得到室温组织为共晶组织和5%的β初的合⾦，求该合⾦的成分；3）分析在快速冷却条件下，I、II两合⾦获得的组织有何不同。

答：（1） I ：α初＋β II

相组成与组织组成⽐例相同。II ：β初＋（α＋β）共＋β II （忽略）

（2）设所求合⾦成分为 x

（3）I 合⾦在快冷条件下可能得到少量的共晶组织，且呈现离异共晶的形态，合⾦中的β II 量会减少，甚⾄不出现；

II 合⾦在快冷条件下β初呈树枝状，且数量减少。共晶体组织变细⼩，相对量增加。11. 什么是固溶体，什么是中间相，说明间隙固溶体与间隙化合物有什么异同。对上述4类物质请给出⼀个具体的物质。

答：（1）固溶体：以合⾦中某⼀组元作为溶剂，其他组元最为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构，晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体。

（2）中间相：两组元的相对尺⼨差，电⼦浓度及电负性差都有⼀容限，当溶质原⼦的加⼊量超过此容限时，将会形成⼀种新相，这种新相称为中间相。

（3）间隙固溶体与间隙化合物的⽐较：

12. 陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的⾓度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。

答：陶瓷材料中主要的结合键是离⼦键及共价键。由于离⼦键及共价键很强，故陶瓷的抗压强度很⾼，硬度极⾼。因为原⼦以离⼦键和共价键结合时，外层电⼦处于稳定的结构状态，不能⾃由运动，故陶瓷材料的熔点很⾼，抗氧化性好，耐⾼温，化学稳定性⾼。

13. 试述结晶相变的热⼒学条件、动⼒学条件、能量及结构条件。

答：（1）分析结晶相变时系统⾃由能的变化可知，结晶的热⼒学条件为?G<0；由单位体积⾃由能的变化?G B = - L m?T/T m可知，只有?T>0，才有?G B<0。即只有过冷，才能使?G<0。（2）动⼒学条件为液—固界⾯前沿液体的温度T

（3）由临界晶核形成功A＝1/3σS可知，当形成⼀个临界晶核时，还有1／3的表⾯能必须由液体中的能量起伏来提供。（4）液体中存在的结构起伏，是结晶时产⽣晶核的基础。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。

14. 为什么钢铁零件渗碳温度⼀般要选择γ相区中进⾏？若不在γ相区进⾏会有什么结果？

答：因α-Fe中的最⼤碳熔解度(质量分数)只有0.0218％，对于含碳质量分数⼤于0.0218％的钢铁在渗碳时零件中的碳浓度梯度为零，渗碳⽆法进⾏，即使是纯铁，在α相区渗碳时铁中浓度梯度很⼩，在表也不能获得⾼含碳层；另外，由于温度低，扩散系数也很⼩，渗碳过程极慢，没有实际意义。γ-Fe中的碳固溶度⾼，渗碳时在表层可获得较⾼的碳浓度梯度使渗碳顺利进⾏。

17. 为细化某纯铝件晶粒，将其冷变形5％后于550℃退⽕2 h，组织反⽽粗化；增⼤冷变形量⾄95％，再于550℃退⽕2 h，仍然得到粗⼤晶粒。试分析其原因，指出上述⼯艺不合理处，并制定⼀种合理的晶粒细化⼯艺。(纯铝熔点约为660℃，按T再＝0.4T熔估算)

答：前种⼯艺，由于铝件变形处于临界变形度下，故退⽕时可形成个别再结晶核⼼，最终晶粒极为粗⼤，⽽后种⼯艺，是由于进⾏再结晶退⽕时的温度选择不合理（温度过⾼），若

按T再＝0.4T熔估算，【0.4*（660+273）-273=100℃】则T再＝100℃，故再结晶温度不超过200℃为宜。由于采⽤550℃退⽕2 h，晶粒仍然粗⼤。所以综上分析，在95％变形量条件下，采⽤150℃退⽕2 h，则可使其晶粒细化。18. 请根据Fe-Fe3C相图分析回答下列问题：

1) 请分析1.6wt.%C合⾦平衡状态下的结晶过程，并说明室温下的相组成和组织组成。

2) 请分析1.6wt.%C合⾦在较快冷却，即不平衡状态下可能发⽣的结晶过程，并说明室温下组织会发⽣什么变化。

3) 假设将⼀⽆限长纯铁棒置于960℃渗碳⽓氛下长期保温，碳原⼦仅由棒顶端渗⼊（如图所⽰），试分析并标出960℃时的组织分布情况。

1) L —— L→γ——γ——γ→Fe3C II——γ→α+Fe3C ——α→Fe3C III相组成：α+ Fe3C 组织组成：P+ Fe3C II（忽略Fe3C III）

2)根据冷速不同，可能出现共晶反应，得到Ld；得到的P层⽚细⼩；Fe3C II的析出将收到抑制，甚⾄不析出。